（化学工程专业论文）振荡流反应器用于连续絮凝过程的研究.pdf

浙江大掌硕- d ：学位论文 摘要 本文回顾了混凝技术的历史和发展现状，分析比较了目前不同絮凝设备的优 劣，并对这些絮凝设备的絮凝控制指标进行了分析。分析表明，目前广泛使用的 絮凝设备存在着絮凝池结构复杂、内部流场复杂，占地面积大、絮凝反应效率低、 反应效果不稳定以及絮凝操作控制的不便等弊病。而基于各种絮凝动力学得到的 絮凝控制指标则适用范围和可靠性有限。 振荡流反应器是一种新型化工设备。其内部的挡板加上底部的振荡发生机构 的特殊构造在加强质量的传递和能量的传递方面有明显改善作用，在一定振荡条 件下，管内流动模式接近平推流。 本文采用无机絮凝剂f e c l 3 ( 1 # ) 以及f e c l 3 与高分子絮凝剂聚丙烯酰胺的 混合溶液( 2 # ) 作为絮凝剂，以嵊县硅藻土原士处理后得到的悬浮液为待处理 悬浮液，考察在振荡流反应器中进行连续絮凝的效果。通过测量不同振荡条件下 两种絮凝剂得到的絮凝体的沉降曲线以及絮凝体的颗粒粒径分布，考察振荡条件 对絮凝效果的影响。试验结果表明，振荡流反应器用于连续的絮凝过程能够得到 很好的絮凝效果：在1 # 絮凝剂作用下，原始悬浮颗粒得到了i 0 0 倍以上的增长， 在2 # 絮凝剂作用下，原始悬浮颗粒得到了i 0 0 0 倍以上的增长。同时，絮凝的 效果受振荡条件影响明显，絮凝的效果随振幅的增加或振荡频率的增加都有明显 改善，1 # 絮凝剂作用时，在s t - - - - o 7 9 6 ，r e o = 3 1 0 2 时达到最佳絮凝效果；2 # 絮 凝剂作用时，在s t - - - - o 7 9 6 ，r e o = 5 1 7 0 达到最佳絮凝效果。但絮凝体的体均粒径 随综合指标振荡雷诺数的增加出现反复的现象，表明简单的以振荡雷诺数作为絮 凝的控制指标并不稳妥。 结合前人所做的振荡流反应器内的流场可视化研究发现，振荡流反应器的絮 凝效果是随着反应器内的涡旋所占整个反应器区域的体积百分比的增加而得到 改善的，在漩涡的初始产生中，振幅的提高是主要的因素，而在振幅达到一定值 时，漩涡的扩散和分布情况则主要是由振荡频率决定的。因此，在振荡流用于连 续絮凝过程中，可采用两个无因次量振荡霄诺数和斯特劳数作为絮凝过程的控制 指标，而反应器内的絮凝动力可用有效功耗的利用率，7 与g 值的综合指标叩g 来 表征，停留时间分布可采用多釜串联带级间返混模型模拟。 此外，在使用1 # 絮凝剂进行絮凝反应时，观察到生成的絮凝体在高振荡雷 浙江大掌硪士掌位论文 诺数下发生破裂的现象，表明振荡流反应器在使用无机絮凝剂时有进行递减絮凝 的必要，通过流体计算力学软件的计算模拟表明：通过改变反应器内沿流动方向 挡板的开孔率来实现递减絮凝具有可行性。 关键词：絮凝设备；振荡流反应器；湍流扩散；有效能耗利用率；控制指标 i i 浙江大掌硬士掌位论文 a b s t r a c t t h eh i s t o r ya n da c t u a l i t yo ff l o c c u l a t i o nt e c h n o l o g ya r er e v i e w e di nt h i s p a p e r t h er e a c t o r sf o rf l o c c u l a t i o n ，w h i c ha r em o s t l yu s e dn o w a d a y s ，h a v e d i s a d v a n t a g e sa n dp r o b l e m si n c l u d i n gc o n f i g u r a t i o nc o m p l e x i t y , f l o wp a t t e r n s c h a n g e f u l l y , s p a c ec o n s u m i n g ，l o wf l o c c u l a t i o n r a t ea n dr e a c t i o ne f f e c t s i n s t a b i l i t y f u r t h e r m o r e ，t h ec o n t r o li n d i c a t o r sf o rr e a c t i o ne f f e c t s ，w h i c ha r e c a l c u l a t e df r o ma l lk i n d so fr e a c t i v ed y n a m i c s a r eq u e s t i o n e di ni t sa p p l i c a t i o n u n i v e r s a l i t ya n dr e l i a b i l i t y o s c i l l a t o r yf l o wr e a c t o r ( o f r ) i san e wt y p eo fd e v i c e si nc h e m i c a l e n g i n e e r i n gp r o c e s s ，w h i c hh a sag o o dp e r f o r m a n c ei nh e a ta n dm a s s t r a n s p or t t h eb a f f l e si nt h er e a c t o ra n do s c i l l a t o r yd e v i c e si nt h eb o t t o mm a k e t h er e a c t o rc l o s et oa p l u gf l o wr e a c t o ru n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s i nt h i sp a p e r , t h ee f f e c t so ff l o c c u l a t i o nr e a c t i o n s ，w h i c hw e r ec a r r i e do u ti n t h eo f m c o n t i n u o u s l yu n d e rd i f f e r e n to s c i l l a t o r yc o n d i t i o n s ，w e r es t u d i e db y m e a s u r i n gt h es e d i m e n t a t i o nc u r v e sa n di t sp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n s i ns a i d f l o c c u l a t i o nr e a c t i o n s t h e s u s p e n s i o nw a sp r e p a r e df r o m d i a t o m i t eo f s h e n x i a na f t e rs o m et r e a t m e n t f l o c c u l a n t sa p p l i e dw a sf e c l 3 ( 1 挣) a n d m i x t u r e ( 2 撑) o fh p a ma n df e c l 3 t h ea v e r a g ea g g r e g a t e ss i z ew a s10 0 t i m e sb i g g e rt h a n p r i m i t i v ep a r t i c l e s u s i n g1 挣f l o c c u l a n t sa n d10 0 0t i m e s b i g g e ru s i n g2 带f l o c c u l a n t s f l o c c u l a t i o ne f f e c t sw e r eo b v i o u s l ya f f e c t e db y o s c i l l a t o r yc o n d i t i o n s ：a v e r a g es i z e o fa g g r e g a t e si n c r e a s ew i t ho s c i l l a t o r y f r e q u e n c yfa n ds w i n gx t h eb e s to s c i l l a t o r yc o n d i t i o nf o rf l o c c u l a t i o nw a s r e a c h e da ts t = o 7 9 6 ，r e o = 3 1 0 2w h e nu s i n g1 挣f l o c c u l a n t sa n ds t = 0 7 9 6 ， r e o = 5 17 0u s i n g2 撑f l o c c u l a n t s t h ea v e r a g es i z eo fa g g r e g a t e sd o e s n t i n c r e a s ew i t h2 魄= 2 厅f x o d pi na i ie o n d i t i o n s ，w h i c hj n d i c a t e st h a tj ti sn o t r e a s o n a b l et oh a v er e oa st h ec o n t r o li n d i c a t o r sf o rf l o c c u l a t i o ni nc f r t a k i n gt h ef l u i df l o w sw eo b s e r v e dt h r o u g hac a m e r au n d e rd i f f e r e n t s t r o u h a la n dr e y n o l d sn u m b e r sj n t oa c c o u n t w ef o u n dt h a tt h ee f f e c t so f 1 1 1 浙江大学硕士学位论文 f l o c c u i a t i o ni n c r e a s ew i t ht h ea r e ao fv o r e xo fc e r t a i ns i z e t h eo s c i l l a t o r y e x t e n di st h ek e yt ot h ee m e r g e n c eo fv o d e xw h i l e o s c i l l a t o r yf r e q u e n c y d o m i n a t e st h er a n g ea n dd i s t r i b u t i o n o ft h ev o r e x e s t h ef l u i df l o ws t a t u s l e a d i n gt o f l o c c u t a t i o nc a nb ed e t e r m i n e d b y ap a r a m e t e r 叩g ，a n dt h e r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o nc a nb ed e s c r i b e d b yt a n k s i n s e r i e s w i t h s t a g e b e t w e e nm i x e d f l o w b e s i d e s ，t h ef r a g m e n t a t i o no ff l o c c u l e sw a so b s e w e di nf t o c c u l a t i o n r e a c t i o nu n d e r1 撑f l o c c u l a n t st h r o u g hs i z ed i s t r i b u t i o na n a l y s i s w h i c hi n d i c a t e t h a ti ti sn e c e s s a r yt ou s ed e c r e a s i n g - f l o c c u l a t i o nt e c h n i q u e si no f rw h e n u s i n gn o n o r g a n i cf l o c c u l a n t s t h ed e c r e a s i n g f l o c c u l a t i o nt e c h n i q u e sm a yb e i n t r o d u c e db yc h a n g i n gt h eb a f f l e s o c c u p a t i o nr a t eo nt h eu p p e rp a r to ft h e r e a c t o r , k e yw o r d s ：f l o c c u l a t i o nr e a c t o r ；o f r ；t u r b u l e n c ed i f f u s i o n ；a v a i l a b l e e n e r g yd i s s i p a t i o nr a t e ；k i n e t i c si n d i c a t o r s j v 浙江大掌硕士掌位论文 1 1 混凝工艺 第一章前言 分散在连续液相中的固体颗粒或液滴发生聚集的现象称为絮凝，最初是应用 在胶体化学中。在胶体化学中，絮凝与凝聚都被用来描述聚集的过程，胶体化学 家l am e r 提出，加入某些离子以降低固液界面的双电层之间的斥力而使胶态分 散体不稳定的现象为“凝聚”，而胶态悬浮体由于溶在连续液相中的高分子聚合 物的作用，并非由于减少电荷而发生的聚集现象称为“絮凝”。【1 】 絮凝工艺广泛的应用于饮用水及工艺用水的处理、污水处理、矿物加工等过 程。在饮用水与工艺用水的处理中，絮凝作为改善固液分离操作的有效手段，通 常作为沉淀、过滤工艺的先行工艺，絮凝处理的效果直接影响后续工艺的效果， 是整个工艺中不可或缺的单元；在污水处理中，絮凝技术与沉淀过滤技术一起， 是去除污水浊度、色度以及主要污染物的有效手段；在矿物加工中，结合选择絮 凝技术，可有效的将矿物中的有用成分进行分离提纯【2 】f 3 1 。 进 管阿 自来水 图1 1自来水厂常规处理流程 浙江大掌硕士掌位论文 从混凝工艺过程来讲，混凝可以分解为凝聚和絮凝两个阶段：第一阶段为化 学作用阶段，在民用及市政工程中，通常是指由于加入某种试剂导致胶体体系中 的微小颗粒的去稳定过程，这个过程发生的时间通常很短，在工程上可通过快速 混合来完成；第二个阶段为絮凝阶段，主要是物理作用阶段，指的是脱稳的微小 颗粒之间由于流体动力学的作用发生碰撞而产生聚集长大为大尺寸的絮凝体的 过程，由于絮凝体要成为能够快速沉降的颗粒，需要达到一定的尺寸和密度，因 此絮凝的过程通常比第一阶段氏，在工程上宜采用缓慢混合来完成。在混凝过程 中，要形成有利于后续固液分离操作的絮凝体，必须完成微小颗粒的化学去稳定 过程以及在一定的时间内使去稳颗粒形成具有良好物理性能的絮凝体( 主要指粒 度、密度和强度) ，这就对应了絮凝工艺的两个关键方面：廉价高效的絮凝剂以 及紧凑高效的絮凝发生设备，前者主要关乎絮凝基本理论的研究，后者则主要对 应于絮凝动力学的研究。 目前，生活饮用水水质卫生标准日益提高【4 】。就国内来说，对水质的要求还 停留在达到8 0 年代国际先进水平的程度上。以生活用水的供水公司为例，水质 目标在农药总量、有机氯化物总量、多环芳烃总量上限值严格，其中浑浊度标准 建议最终出水浊度 芒一= 釜。 t 棘辍蓟癣 ， ： v = ：= - = 2 3 m s 主要搅拌作用水流拐弯处喷嘴射流进水水流扩散 停留时间 2 0 3 08 1 56 1 0 ( m i n ) 搅拌强度控制廊道内流速及拐弯的数目喷嘴出口流速及池高与直径底部入口处流速上部上升 因素之比处流速及锥角 与沉淀设备衔与、f 流式沉淀池衔接单用或建丁竖流式沉淀池早片j 或建十竖冼式讥堀旭 接关系 其他布置方案廊道可布成竖式进出水位置可交换底部和顶部平面可用矩形 或方形 优点构造简单施工方便容税小，水头损失小反应时间短容积小，造价 也较低 i 缺点 容积大，水头损失大池深，地下水位高处施工困难池子深，锥底施工困难 l 适用条件水量变艺， 、的大水厂中小水厂中小水厂 由于隔板式絮凝池的结构简单，但絮凝效果不佳，如果能改变直线段的水流 紊动情况，使之产生有利于絮体生长的涡旋，其也就能得到广泛的应用。改变直 线段的构型有3 种措施：改变隔板本身的形状；在隔板间沿水流方向增加产生紊 动的装最；在隔板间的垂直水流方向上增加产生紊动的装置。经过这三种改造措 施后，就分别得到了目前应用较为广泛的折板絮凝池、波纹板絮凝池和删格、栅 浙江大学硕士学位论文 条絮凝池。 折板絮凝池是把呈直线的隔板改为呈折线的隔板改造而成的，折板的布置有 两种方案：一种是将折板平行布置，相当于水流的流通截而积保持不变，水流只 是在流经折角处产生紊动；另一种是将其相错布置，水的流速时而因流道收缩而 增大，时而因流道扩展而变小，产生更多的紊动。波纹板絮凝池内一般装呈正弦 波曲线的波纹板，由波峰的大小、波纹问距以及波纹板间相位角大小三者适当的 组合，得到有利于絮凝过程的搅拌强度，获得合适的g 值。网格及栅条絮凝池则 是通过设置栅条及网格，使水流流动方向不断发生垂直的变化，而造成扰动。网 格和栅条的设置可先密后疏，使在絮凝过程中紊动作用逐渐由强到弱。 新型絮凝反应器 与发展较快的新型高分子絮凝剂相比，新型高效絮凝设备的发展显得较慢。 一些新的或尚未得到广泛应用的絮凝设备正在得到进一步的发展。 旋流扰流絮凝以涡旋理论为指导，在网格絮凝池的基础上，在每一个网格上 再增加一些固体部件使网格内流体产生更多漩涡的方式，以期结合机械搅拌和水 力紊动两种扰动，达到更好的絮凝效果和更佳的生产管理方式。 旋 p 一一 流 ununu ，、 i广 扰 i _ _，- 流 t ? 。u 反 ? 一? 一2 一 应 嚣 进 水 争 ，i b - n 1 gngnc ngncnc j d - l234 5 6 78 9l o l i1 2 弼 格 反 2 0 1 9 1 81 7 1 61 51 41 3 应 器 进 水 2 1 2 22 32 4 2 5 2 6 一 图2 3网格反应器与加旋流扰流的网格反应器示意图 管式絮凝器：管式设备用于沉降槽中是常见的。目前已知的管式设备也起同 浙- r 大学硕士掌位论文 向絮凝器的作用，这主要是指其在层流状态下，雷诺数为5 0 0 左右时。管式反应 器作为絮凝来讲，可能需要很长的管，专门建立一套管式絮凝器可能是不经济的， 但使用复合螺旋管组可能是合理的。 犀定床：用深层床过滤器作絮凝器已被充分肯定下来。苏联的某些深层过滤 器早在2 0 世纪5 0 年代就被尝试过用作接触式澄清器，这种设备在悬浮固体的负 荷小，不会快速发生堵塞的情况下可能起到絮凝作用。 流化床：絮凝团床层澄清器利用絮凝团本身形成的流化床以增加絮凝作用。 这种情形下，消耗的功率式单位时间通过流化床颗粒阻力的能量，液体的流量必 须能稳定和维持已有的絮凝颗粒的稳定流态。 2 3 絮凝体及絮凝效果的表征 絮凝的作用是使悬浮液中悬浮的固体物质从粒径较小的原始颗粒长大，成为 便于后续固液分离工艺操作的大颗粒。常用的固液分离的工艺可分为两大类，一一 类是液相受限制，颗粒在运动，比如有沉降( 包括自然重力沉降和其他加入机械 力场沉降) 、浮选以及磁力分离等；另一类是颗粒受限制、液体在运动，比如各 种过滤等。絮凝效果的好坏，有的是通过后续固液分离工艺的效果来表征，比如 测量经絮凝反应后沉降一定时间后的上层清液的剩余浊度，更多的则是直接检测 所得到的絮凝体的状况来表征的，比如测量经过絮凝后的絮凝体的沉降速度、测 量絮凝过后絮凝体的尺寸分布，以及随着新理论新技术的出现，开始测量絮凝体 的分形状况。 测量絮凝沉降后上层清液的浊度的方法，较原始的是采用分光广度计，目前 则开始大量采用新型的浊度计，这种浊度计测量起来迅速快捷、操作方便，有的 还便于在线测量。但这种测量上层清液浊度的方法主要考察的是经过絮凝后能够 达到的固液分离效率的情况，也即它也受到沉降时间，絮凝剂的用量等多种因素 影响。 测量絮凝体的沉降情况则直接考察了经过絮凝后得到的絮凝体的固液分离 的容易程度，另外通过关联计算也可以得到关于絮凝体的密度等信息。 而目前发展起来的一些新技术，开始直接对絮凝体的大小和形状进行考察， 同时什么样的絮凝体爿是结构良好易于囤液分离的絮凝体也丌始得到研究。表征 浙江大掌硕士掌位论文 絮凝体的物理特性的参数【3 6 。0 1 ，主要有絮凝体的密度、絮凝体的孔隙率、絮凝 体的粒径分布、絮凝体的强度以及上世纪末发展起来的分形理论在絮凝体的研究 中涉及到的分形维数。 絮凝体的密度：1 9 6 3 年v o l d 提出了弹射凝聚模型，该模型从絮凝体生长的 过程出发，认为颗粒通过随机的路径( 般为直线) 粘结在己形成的絮凝体上， 得到絮凝体的密度与其直径的一个理论关系式；后来t a m b o 等人则通过对静水样 中测定离散絮凝体的沉降速度和直径的实验方法来拟合得到密度和絮凝体的直 径的关系式。 孔隙率：该值与絮凝体的密度相关，按照s u t h e r l a n d 等人的关于絮凝体凝 聚过程的基本构思，得到孔隙率与密度问的关系式。 强度：絮体的强度实际上决定了能够生成的絮凝体的最大尺寸，同时强度还 与絮凝体的孔隙率等结构因素相关，通过对在一定流场条件下所生成的絮凝体最 大尺寸的测量及结构参数的测量，再根据相关的理论推导，可以得到其强度情况。 粒径分布：以上几种物理特性参数目前尚都难以直接进行测量一且其计算都 有赖于粒径的分布情况的获知。粒径分布可通过颗粒分析仪进行，以库尔特分析 仪和马尔文粒径分析仪两种为代表。 分形维数：分形是指一类极其零碎而复杂但具有自相似性和仿射性的体系， 自相似性和标度不变性是其重要特征，分形维数概念的引入可应用到絮凝体原始 颗粒生长过程的研究以及后续分离工艺对絮凝体的要求上。絮凝体分形维数的计 算方法一般有图像法、粒径分布法、沉降法、光散射法等。 2 4 振荡流反应器 2 4 i 振荡流反应器的研究状况 2 0 世纪早期人们就发现，在带有沟槽的管子中的流动状况较不带沟槽有较 大改善，但管式反应器作为内部没有搅拌装置的反应器，内部的传质传热状况等 仍然与釜式搅拌装嚣无法比拟。后来人们发现在带沟槽的管子中，在净流量的基 础上，加上一个由振荡机构带来的振荡后，能大大的改善管式反应器内的传质传 热性能。最开始，这种设备主要应用于膜生氧器和血过滤器中。后来，这种内部 浙- - r 大学硕士掌位论文 带有挡板外加振荡的管式设备开始引起一些学者的注意，并把这种结构的设备称 为振荡流反应器( o s c i l l a t o r yf l o wr e a c t o r 、。开始通过实验手段和c f d 数值 模拟手段研究包括管内流体的运动机理、几何构件的优化、振荡流对传质传热的 加强以及反应器内停留时间分布等问题 4 ”4 5 1 。 研究者们对振荡流场进行了广泛的研究和可贵的探索，并构造了各种不同的 数学模型。一般来讲，混合是出两个途径共同实现的：大范围的涡流使楣距较远 的粒子相互靠近，实现整体混合；小范围内粒子的运动使得这一区域内的粒子浓 度均一化，实现局部混合。对在一个等间隔加挡板的管内的流体外加振荡，在振 幅为l l o o m m ，频率为0 5 1 5 h z 时会出现振荡流混合。流体运动受到挡板的 影响从而产生漩涡，在整个管道内都沿着管径方向分布着许多漩涡，因此能够实 现良好的整体混合。而流体的振荡又使得小区域内的颗粒不断扰动，从而实现高 效的微团( 局部) 混合。 振荡流混合的一个显著特点就是通过改变振荡的频率与振幅，或者改变腔室 的几何形状，可以很精确的控制混合程度。这样我们就可以得到一个很广泛的混 合范围，既能够轻微混合又可以强力混合。其他加强混合的方法，如静态混合器 或者通过循环来增加表观速度，则不能得到同等程度的控制。 振荡流可以用几个无因次量来表征，其中有两个雷诺数：振荡雷诺数胎。和 净流雷诺数飚，。振荡雷诺数慨和稳态流动的雷诺数比较类似，只是速度项用 的是一个周期中的最大值。另个无因次量是斯特劳准数s 六各无因次量的定 义如下： r t ；丛坐 ( 2 4 1 ) 心：业 ( 2 4 。2 ) 口 ：旦( 2 4 3 ) 轨心 其中：口是管道的内径； ，是振荡的频率； “7 是管内流体的表观速度； 2 1 浙江大学硕士学 f f z 论文 p 是流体的密度； x o 是振荡的平均增幅。 一般稳态流动中当r e = 2 1 0 0 左右时出现轻微的湍流，而在振荡流中则出现在 r e o 等于5 0 1 0 0 时。根据利用激光测速器和数学模拟对混合现象进行的研究， 我们可以把振荡流混合区分为两个范围：当r e o 2 0 0 0 时，已经是完全湍流了。 实验研究方面，在以传质传热及能耗为指标，优化反应器结构方面，实验表 明，反应器内的挡板与壁面相连的o f r 要比挡板位于管道中心的0 f r 更具优势； 对于采用圆环形挡板的0 f r 来说，几何尺寸满足l = 3 r = 6 r b 的圆管型o f r 具有很 好的传递性能。其中，工为相邻挡板之间的间距，r 为圆管v , j 径。风为圆环挡板 与圆管之间的间距。 停留时间分布( r t d ) ：对管式反应器来讲，其优点是流体在反应器中的停 留时间都较长，但一般管式反应器内由于流体的粘性与管壁发生作用，管内横截 面上是存在速度梯度的。对于高效反应器来说，不希望有大量的轴向返混，但径 向的混合则对反应有利，使管式反应器较接近平推流反应器，从而得到较快的反 应速率。振荡流反应器内部带有挡板的这种特殊结构使其内部相当于形成了多个 腔室，而外加的振荡则使各腔室内流体的混合得到加强，在一定的振荡条件下， 每个腔室相当于一个全混流反应器。随着振荡雷诺数的增大，振荡流反应器内的 停留时间分布越接近个平推流反应器的停留时问分布。这解决了管式反应器在 层流情况下流速慢而导致与平推流反应器偏离较远的问题。h o w e s 和m a c k l e y 用轴向扩散模型来模拟振荡流发现，在较大振幅下，可以通过调节振动频率来获 得低的轴向扩散系数。图2 3 比较了不同情况下的扩散系数： 浙- t 丈掌硕士学位论文 图23 不同振动状况下的扩散系数 图中，引入了无因次的扩散系数( d 舢l ) ，d 为扩散系数，u 是净流量，l 是挡板距离。图中数据显示：当振荡雷诺数在4 0 0 8 0 0 之间，s t 为0 8 2 时， 各种情况下都有相同的趋势：通过调节振动频率可以获得较低的轴向扩散系数。 传热和传质性能：已经知道流体内部以及与壁面的传热系数对雷诺数的变化 非常敏感。在振荡流反应器中，t a c k l e y 等人实验表明，在一定的s t 下，即使 净雷诺数很低，热传导系数也能够随着振荡条件的改变而得到改善。实际上，在 净雷诺数低时，热传导系数基本上由振荡的条件决定，即振荡的频率和振幅。在 这种情况下测得的热传导系数跟在湍流管中雷诺数在1 0 0 0 0 甚至更高时相当。而 n i s h i r a u r a 则发现在波纹管中的振荡流动能够促进质量传递。在气液传递速率实 验中，人们研究了振荡流中氧气一水系统，试验结果表明在有挡板的振荡流设备 中，气液传质速率相对于简单的鼓泡塔增加了4 倍。这表明在振荡雷诺数远大于 净雷诺数的情况下，反应器内的传质传热状况主要由振荡雷诺数决定。另外相对 于釜式反应器来说，通过控制振荡的条件来实现对传递和反应过程的控制要更方 便、更准确。 浙- r 大掌硕士掌位论文 2 4 2 振荡流反应器的应用和发展 振荡流反应器由于其优良的混合特性和传递特性，在许多工艺中都有广泛的 应用前景。 在粒子悬浮及分离工艺中的应用：在许多化学工艺中在许多化学工艺中都 需要颗粒的悬浮，如：液相反应中催化剂颗粒的悬浮，生化反应中细胞的悬浮等。 在通常情况下，固体颗粒的悬浮是靠搅拌祁流化床来实现的。 n = 1 图2 4o f m 腔室的不惹幽 在一定情况下，o f r 能够使溶液中的固体颗粒悬浮起来。o f r 中的液体在 振动过程中会在挡板的喉部产生一个旋涡圈，由于旋涡的产生使得固体颗粒得以 悬浮起来。在旋涡的湍动作用和重力及浮力的联合作用下，固体颗粒在o f r 中 得以悬浮，并产生粒径分布。 正是由于o f r 能够使不同物性的固体颗粒悬浮在不同的腔室中，为实现不 同物性的粒子分离提供了好的方法。在固体颗粒的密度粒径等物性不同的情况 下，不同的浓度分布在不同的腔室中，当颗粒的物性有一定差别时，颗粒在o f r 中的分布就比较开，可以通过o f r 进行分离，从不同的腔室中得到富集的某种 屠 丢 层 ， 罢 “ 喝 一 蝎 棚 。1。，。-f，。j，。，。，。，【。j。，。l。，。 浙江大掌硕士学位论文 颗粒。 在化学反应器中的应用：一般情况下，化学反应要达到较高的转化率，必须 要有较长的停留时间，而要达到快速的反应平衡，需要良好的混合效果，也就是 说需要湍流流动，而湍流流动需要高流速，这就意味着需要很长的反应器才能达 到相应的目的。在化学反应工艺中也存在着全混流反应器和平推流反应器两种操 作工艺。对于全混流反应器来说，反应器中的混合情况较好，整个化学反应达到 平衡所需要的反应时间比较短，但是，整体的转化率不高。而对于平推流反应器 来说，虽然转化率较高，但需要的停留时间也较长，也就意味着要达到化学反应 的平衡需要管长较长的反应器。 在前边已经提到了o f r 能够提供高效的，可控制的混合。同时能够增强传 质，传热，扩散性能。流体在o f r 停留时间分布在一定的条件下与平推流相似。 对于化学反应来说反应组分在o f r 中的停留时间应与在平推流反应器中的停留 时间相似。因此，在某种意义上可以认为：在o f r 中的化学反应能够实现良好 的混合，同时具有平推流反应器的停留时间分布。这一点对于化学反应器，特别 是作为简单的高效湍动反应器是非常有利的。 在絮凝工艺中的应用：脱稳胶体粒子的生长过程是一个很复杂的过程，前文 中提到不论是合适的速度梯度还是尺度合适的涡旋，在采用目前所广泛使用的装 置中，都存在整个流场中速度梯度分布不均或涡旋产生位置不具广泛性的问题， 使得能量的耗散的利用率不高，并造成局部剪切力过大造成一些絮凝粒子破裂使 得最终絮凝效果变得更加不可预测。另外，各种广泛应用得絮凝设备还存在操作 控制指标宽泛化、控制不方便及设备结构复杂等等问题。振荡流反应器作为一种 新型的化工过程设备，其内部流场均匀，通过控制振荡的条件可在反应器内得到 合适的速度梯度或尺度合适的涡旋，并且速度梯度在流场内的分布均匀，涡旋产 生的数量多，分布广，振荡条件的控制方便等等，使得其在作为一种高效絮凝反 应器上具有很大的潜能。g a o 和n i 在1 9 9 8 年对o f r 作为间歇式絮凝器的研究 表明，o f r 具有良好的絮凝效果，同时絮凝效果的优化依赖于加入的絮凝剂的 用量。显然，把o f r 作为连续式絮凝设各也同样有良好的发展潜力。 浙江大学硕士掌位论文 2 4 3 国内振荡流反应器的研究 目前国内对于振荡流反应器的研究还很少，主要由吴嘉所带领的实验室进 行。他们对振荡流反应器的研究也从两个方面着手：实验研究和数值模拟研究。 实验研究主要是探讨反应器的平均停留时间分布和作为反应器用于乳液聚合反 应和絮凝过程，数值模拟主要是模拟反应器内的流场。目前在流场的研究方面， 通过粒子显像技术和粒子示踪技术，采用实验能与数值模拟得到的流场情况结 合，验证了数值模拟的可靠性。随着计算方法的发展，由原来的单腔室二维模拟 发展导了多腔室三维模拟。同时，对于非标准腔室的模拟也有了一些进展，吴永 文采用结构化网格对单腔室进行计算发现在实验条件下观察到的腔室内流场的 不对称情况可能是由于实验模型的几何结构的不对称引起的，而并；i p 4 h 国外研究 表明的那样是在振荡雷诺数达到2 5 0 后由于漩涡的自然产生而产生流场的不对 称的。之后邹世强、黄琛波等对结构的微小不对称情况做了数值模拟，进行了定 量分析。 在实验方面，李安实建立起了实验装置，李晓清、林子昕等采用脉冲示踪法 研究了反应器的平均停留时间分布，并采用了新的物理和数学模型来模拟振荡流 反应器的平均停留时间分布。得到了不同振荡条件下适用的停留时间分布模型。 在絮凝方面，李安实考察了一定条件下示踪剂进口所在腔室的示踪剂注入分 散情况，通过流场显示技术和数字图像处理技术，得到了振荡流场的注入分散特 性的定性描述，并对振荡雷诺数和斯特劳数对流场混合效果做了定量的分析。 浙江犬掌硕士学位论文 第三章实验部分 3 1 研究内容和目标 振荡流反应器用于连续絮凝过程的研究 ( 1 ) 选择絮凝体系，确定实验方案 ( 2 ) 在不同振荡条件下采用不同絮凝剂在振荡流反应器中进行絮凝实验，对絮 凝所得进行沉降实验和粒度分布测试 ( 3 ) 研究振荡条件和絮凝剂的类型对连续絮凝过程效果的影响 ( 4 ) 确定最佳的振荡条件 3 2 实验装置和实验的准备 3 2 1 振荡流连续絮凝装置 反应器主要由反应器主体部分和其下部的振荡发生机构两部分组成。上部反 应部分为管状有机玻璃，采用的是经典的几何尺寸，外直径6 0 毫米，内径5 0 毫米。内加环状挡板，内径2 5 毫米，外径4 8 毫米，挡板套在四根2 m r a 粗的钢丝 i ，使用等长度的p v c 管将他们等距离分布，商寰9 0 0 毫米，分隔成1 3 个腔室， 其中顶部和底部的两个腔室由不锈钢制造，在其上安置有进料口、取料口及其他 需要的接1 ：3 。在外面的实验中，下部腔室有两个进料口。个污水进料，一个絮 凝剂进料。顶部腔室设有一个出料口。 下部振荡机构，调速电机，带动偏心轮转动，偏心轮带动万向节产生上f 运 动，而使反应器底部的活塞发生上下往复运动。调速电机可在变频器作用下以不 同频率运行，使得底部得活塞可以产生不同得振荡频率，调频机得频率调节范围 为o h z 8 h z 。偏心轮上等角度得开有6 对偏心孔，这六对孔使活塞往复运动的 振幅分别为0 5 m m 、1m m 、1 ，5 m m 、2 m m 、3 m m 和5 m m 。 浙江大掌硕士学位论文 1 、顶部金属腔室 2 、螺栓3 、法兰4 、有机玻璃管 5 、档板 6 、底部金属腔室7 、进料口( 接b t 0 0 3 0 0 m ) 8 、橡皮片 9 、传动板 1 0 、键 1 1 、传动轴( 接调频变速电机) 1 2 、出料口 1 3 、支撑杆 1 4 、定距套管 1 5 、卡套1 6 、加强套管 1 7 、注入口( 接b t 0 0 1 0 0 m ) 1 8 、滑槽套1 9 、顶杆 2 0 、连片 2 1 、偏心板2 2 、支架 图3 1 装置结构图 图3 2 腔室的设置及其结构 浙江大学硕士掌位论文 图中进料口7 和注入口1 7 为保证处理量的恒定以及絮凝剂加入量的稳定， 采用的使两个恒流蠕动泵进行加料的方式进行，实际上蠕动泵的进料量也使呈周 期性改变的，但其周期较短，与流体在腔室内的停留时间相比，可认为使恒流进 料。其中注入口7 连接的是b t 0 0 3 0 0 m 型兰格蠕动泵，注入口1 7 连接的是 b t 0 0 10 0 m 型兰格蠕动泵。 3 2 2 马尔文m a s t e r s i z e r2 0 0 0 激光粒度分析仪 科学家们一直尝试着预测颗粒分散和吸收光的方法，现代粒度分析专家们使 用了很多理论和模式。其中最简单的理论之一是f r a u n h o f e r 模式，当已知尺寸、 固体状、不透明的圆片通过激光束时，此模式能预测它的衍射模式。对一些颗粒 这种模式是合适的，但它不能确切的描述颗粒衍射，因为很少有颗粒是圆片形且 大多数颗粒是透明的。 在任何情况下都能精确预测到所有物质的光散射现象的理论被称为m i e 理 论。m i e 理论的发展使得该理论能够预测球形颗粒衍射光的方法及光通过颗粒和 光被颗粒吸收的途径。这些理论的要点是如果你知道颗粒的大小和其他结构的细 节，你就能准确的预测它散射的方式。 m a s t e r s i z e r 怎样测量颗粒的大小呢，通过使用光学元件去收集一部分颗粒 的散射光，再利用光学仪器和上面的理论从颗粒场中推出衍射模式，然后运用上 面的理论，计算出颗粒的大小。 它的典型系统由三部分组成：主机为其主要的组成部分；一个或更多的样品 分散附件以及就算机系统。主机用来收集测量样品内粒度大小的原始数据，样品 分散附件的目的则是将样品准备耗并传送到主机以便于测量，计算机系统是独立 的计算机，采用马尔文软件，马尔文软件能控制主机和附件，也能分析主机中颗 粒大小的原始数据。 浙江大学磺士掌位论文 3 2 3 絮凝实验的准备 3 2 3 1 絮凝体系的选择 本实验室原先采用高岭土悬浮液作为待处理样品，高岭土原始尺寸为2 微 米，在一定配比浓度下与水混合搅拌后净沉，发现这种悬浮液的稳定性太差，经 常是还没有加絮凝剂作用的情况下就大部分都沉淀下来，而在我们的实验中，由 于要对不同振荡条件下的絮凝效果作分析，在实验过程中，难以对悬浮液的浓度 做到稳定的保证。经过查阅相关文献，我们发现，浙江嵊县的低品位硅藻土原土 在湿法进行处理的时候会产生大量的尾水，这种尾水中颗粒的粒度在几十个纳米 到几百个纳米之间，属于胶体的范畴，这种尾水在生产的后处理中极为困难。对 于我们的实验来讲，这种性质稳定、不需要仔细调节p h 值，不需要严格控制实 验的温度的体系，则是相当合适的。文献指出 5 1 】，这类废水可采用凝聚分离法 进行处理。因此，本实验采用了嵊县的硅藻土白土原土( 原土有向土和褐土两种) ， 经过浸泡，加入分散剂，经搅拌分散后静置两天的上层浊液作为待处理的水样， 采用聚丙烯酰胺和氯化高铁作为絮凝剂。 3 | 2 3 2 悬浮液的配制和絮凝剂用量的确定 实验中我们有一个6 0 l 左右的大桶和两个3 0 l 左右的小桶。首先将3 虹的 硅藻土原土放入小桶中，加入少量水( 以稍漫过原土为宜) 浸泡，一天之后原土 就自动瓦解呈片状和小颗粒状，去掉那些粘土质多的未瓦解的团块。将其转入到 大桶中，加水到5 0 l 左右，加入4 5 9 n a o h ，用电动搅拌装置搅拌2 小时左右， 搅拌功率3 0 0 w 。静置两天后将悬浮液倒入两小桶中，去掉大桶中的泥浆。对该 悬浮液进行浊度测试，采用烘干法测其固体悬浮物质量分率。 硅藻土湿法提纯后的尾水中固体悬浮物的化学成分见下表 l 成分 s j o ， f e z 0 3 a 1 2 0 3 t i 0 2c a om g o k 2 0 其他 j 含量( w t5 8 0 6 6 。4 22 1 。80 8 5o t 3 11 4 81 9 19 1 7 i ) 称量瓶重：9 6 9 3 8 9 称量瓶+ 悬浮液：2 9 5 0 6 7 9 称量瓶+ 烘干后固体：9 9 6 5 0 9 浙- 1 - 大学硕士学位论文 得到该悬浮液的固含量为w t = 昌 型鬻1 0 0 = 1 3 7 在分别使用氯化亚铁和氯化高铁作为絮凝剂处理后发现，氯化高铁的絮凝效 果较好，同时考虑到我们实验中要做多次实验，为保证絮凝剂溶液浓度的稳定， 采用的是一次配液的方法，而氯化亚铁由于性质不够稳定，会发生氧化，最终确 定以氯化高铁作为无机絮凝剂。参照文献，其作为絮凝剂的溶液浓度为1 0 w t 。 实验室另有分子量为3 0 0 w 的阴离子型聚丙烯酰胺，参照文献，我们先将其 配成0 5 w t ( 溶胀2 星期) ，后稀释到o 0 5 w t ，作为絮凝剂溶液。 在振荡流反应器中进行的絮凝实验，为了考察不同絮凝剂作用下形成的絮凝 体在反应器内的破裂情况，确定了两种最终的絮凝荆溶液：一种为f e c l 3 溶液( 记 为1 带絮凝剂) ，一种为f e c l 3 与聚丙烯酰胺混合溶液( 记为批絮凝剂) 。凝聚剂 f e c l 3 ( a 1 1 ) 配成1 0 o g l 的溶液，絮凝剂聚丙烯酰胺配成o 5 j 5 溶液，将配好 的两种溶液以1 ：1 的比例混合后作为措絮凝剂。 参照文献中提到的用凝聚法处理硅藻土湿法处理尾水的絮凝剂用量，通过烧 杯进行的杯罐实验，确定了这两种絮凝剂的用量为：1 # 絮凝剂的单独投放量为 2 o m l l o o m l 悬浮液，确定混凝剂溶液的投放量为3 o m l l o o m l 悬浮液。 3 2 3 - 3 仪器的标定 兰格蠕动泵的面板读数是转速，需要对其进行流量一转速标定。同时，由于 流体性质不一样，在输送不同的流体时，需要重新进行标定。因此我们直接对所 输送的溶液进行了标定。 1 、b t 0 0 3 0 0 m 蠕动泵配18 # 软管，在输送配好的悬浮液时的流量标定 经过标定，我们发现蠕动泵的面板读数与实际输送流量的线性关系良好，如 下图所示： 浙江大掌硕士掌位论文 厂、 量 目 自 刚 媛 05 01 0 0 1 5 02 0 02 5 0 3 0 0 面板转速读数 2 、b t 0 0 1 0 0 m 配1 6 # 软管，输送1 # 絮凝剂溶液的流量标定 絮凝剂溶液的用量较少，在输送过程中，一般采用较低的面板转速，以f 为 其流量标定： ，、 5 皇 告 v 捌 蟋 4 06 0 面板转速读数 3 、b t 0 0 1 0 0 m 配1 6 # 软管，输送2 # 絮凝剂溶液的流量标定 2 # 絮凝剂为加入了聚合物的混合溶液，其粘度较一般的大，因此对其重新 做了一次标定，标定结果如下： 差耄 蝴 蝴 蝴 咖 。 浙江大掌硕士掌位论文 2 5 。 三2 0 0 墨1 5 0 51 0